Wie die Wiederverwendung von Abwärme Aluminium einen Schritt näher zu einer grüneren Industrie bringen kann

Aluminium ist einer der am häufigsten recycelten Rohstoffe der Welt, aber die Prozesse zur Herstellung dieses Metalls hinterlassen immer noch einen hohen Umwelteinfluss auf den Planeten. Neue Technologien zur Rückgewinnung von Abwärme können die Industrie einen Schritt näher an saubere Produktionsmethoden heranführen.

Aluminium ist das am zweithäufigsten produzierte Metall und einer der am häufigsten recycelten Rohstoffe der Welt. Diese Fähigkeit, auf unbestimmte Zeit wiedergewonnen und wiederverwendet zu werden, gibt der Industrie das Potenzial, eine grünere und sauberere Alternative zu anderen umweltschädlichen Materialien anzubieten. Doch Faktoren wie der enorme Energieverbrauch und die ineffiziente Nutzung von Wärme, die sowohl bei der primären Produktion dieses Metalls aus Bauxiterz als auch bei der sekundären Produktion aus Schrott eine Rolle spielen, nehmen diese Chance. So ist die Aluminiumindustrie für mindestens 1 % der Treibhausgasemissionen, die durch menschliche Aktivitäten in die Atmosphäre gelangen, und für 2,5 % des_CO2 verantwortlich.

"Das Schöne an Aluminium ist, dass es in einigen Industrien zu über 90 % recycelt wird und 75 % des jemals produzierten Aluminiums heute noch im Umlauf ist", sagt Daniel Brough, Doktorand am Institute of Energy Futures der Brunel University London und Bauingenieur in einem Sekundäraluminiumwerk. Er gehört zu einer Gruppe von Experten, die im Rahmen des ETEKINA-Projekts Wärmerohre als Wärmetauscher konstruieren. Dieses von der Europäischen Union finanzierte Programm zielt darauf ab, mehr als 40 % des zugänglichen Abwärmegehalts in den Strömen zurückzugewinnen, die von energieintensiven Industrien an die Atmosphäre verloren gehen.

"Es gibt verschiedene Technologien, die eingesetzt werden können, um die Treibhausgasemissionen [bei der Herstellung von Aluminium] zu reduzieren, die einflussreichste ist das Elysis-Projekt, das seinen Hauptsitz in Montreal hat. Aber die Rückgewinnung von Abwärme ist ein großer Teil der Gleichung - die Aluminiumindustrie ist ein riesiger Produzent von Abwärme, die gezielt genutzt werden könnte", fügt er hinzu.

Die Produktion von Aluminium hinterlässt Spuren in der Umwelt, die Versauerungsemissionen, Schäden durch den Einsatz fossiler Brennstoffe und problematische feste Rückstände wie den Rotschlamm, der beim Bauxitabbau anfällt, oder die Salzschlacke, die beim Recycling dieses Metalls entsteht, umfassen. Die Industrie hat jedoch einige Maßnahmen ergriffen, um ihre negativen Auswirkungen auf den Planeten zu verringern.

Eine davon ist die weitgehende Nutzung von Wasserkraft, mit der heute 75 % der Primäraluminiumproduktion betrieben wird. Eine andere ist die Modernisierung der Anlagen, obwohl in dieser Hinsicht noch weitere Schritte unternommen werden können. Zum Beispiel werden die Öfen der Aluminiumhütten immer noch mit halbempirischen Methoden ausgelegt, obwohl es Technologien gibt, mit denen sie energieeffizienter ausgelegt werden könnten, wie z.B. Computational Fluid Dynamics Analysen.

Dies sind einige der Ergebnisse, die Herr Brough und Professor Hussam Jouhara von der Brunel University London in ihrem Papier The aluminium industry: A review on state-of-the-art technologies, environmental impacts and possibilities for waste heat recovery, veröffentlicht im International Journal of Thermofluids. Ihre Untersuchung gibt einen gründlichen Überblick über die Prozesse und Technologien, die in der Aluminiumindustrie eingesetzt werden, sowie über die bereits verfügbaren Werkzeuge zur Wärmerückgewinnung.

Rekuperatoren, Luftvorwärmer oder Wärmepumpen sind einige der Alternativen, die sie erwähnen. Unter ihnen werden Wärmerohr-Wärmetauscher, das Herzstück des ETEKINA-Projekts, als eine der vielversprechendsten Vorrichtungen zur Vermeidung von Wärmeverschwendung hervorgehoben. Prof. Jouhara, der die technischen Aktivitäten innerhalb von ETEKINA koordiniert, erklärt, dass konventionelle Technologien bereits zuvor versucht haben, die Abwärmerückgewinnung in der Aluminiumindustrie anzugehen - ohne großen Erfolg. "Sie waren für einige der rauen Ströme, die bei den Prozessen in der Aluminiumindustrie anfallen, nicht geeignet", sagt er.

Die Wärmerückgewinnung aus der Aluminiumproduktion ist keine einfache Aufgabe, da sie aus Strömen mit Abgasen zurückgewonnen werden muss, die zu Korrosion oder Verschmutzung führen können. Daher kann eine häufige Wartung oder ein Austausch von Komponenten erforderlich sein, was die Wärmerückgewinnung nicht wirtschaftlich macht. Nach Ansicht der beiden Experten bieten Wärmerohr-Wärmetauscher, die im Rahmen des ETEKINA-Projekts entwickelt werden, eine langlebigere und wirtschaftlichere Lösung auf dem Weg zur "Rückgewinnung des Unwiederbringlichen", da sie bei der Wärmeübertragung effektiver sind, über überlegene Maßnahmen zur Vermeidung von Kreuzkontaminationen verfügen und jedes einzelne Wärmerohr unabhängig arbeitet, wodurch das Risiko eines Ausfalls des gesamten Systems entfällt.

"Heatpipes"-Wärmetauscher haben keine beweglichen Teile, also ist das, was schief gehen kann, von diesem Standpunkt aus gesehen sehr begrenzt. Die einzige Wartung, die sie benötigen, ist die regelmäßige Reinigung", erklärt Prof. Jouhara. "Mit dieser neuen Technologie können wir jetzt Bereiche angehen, die aufgrund der korrosiven Natur dieser Abgase unmöglich waren, das ist etwas, was die Wärmerohrtechnologie möglich gemacht hat. Die Fortschritte bei der Konstruktion von Wärmetauschern bringen uns also so nah wie möglich an die Machbarkeit eines grünen Prozesses in der Aluminiumindustrie heran."

Drei Anwendungen für Abwärme

Die Aluminiumproduktion ist so energieintensiv, dass sie laut der American Aluminium Association in den Vereinigten Staaten etwa 5 % der gesamten dort erzeugten Elektrizität verbraucht. Die meisten Prozesse arbeiten mit hohen Temperaturen, was bedeutet, dass ein großer Teil dieser Energie in Form von Abwärme an die Umwelt abgegeben wird. Um dies zu vermeiden, schlagen die Autoren vor, verschiedene Arten von Wärmetauschern zu kombinieren, um die höchsten Verluste in den energieintensivsten Phasen des Prozesses zu erzielen.

Luftvorwärmer, Economiser und Wärmerohr-Wärmetauscher können helfen, Abwärme aus Abgasen wiederzuverwenden, während Thermokompressoren helfen können, Dampf wiederzuverwenden. Das Papier skizziert drei verschiedene mögliche Anwendungen für Abwärme, die durch diese Technologien zurückgewonnen wird:

1. Raum- und Fernwärme: Abhängig vom Klima am Standort der Schmelzanlage kann die zurückgewonnene Abwärme zur Beheizung angrenzender Büros oder der örtlichen Gemeinde genutzt werden. Die Machbarkeit der Versorgung umliegender Gemeinden mit Fernwärme aus Abwärme wird derzeit für AlcoaFjarðaál, eine Aluminiumhütte in Island, geprüft.
2. Optimierung der Aluminiumproduktion: Abwärme kann genutzt werden, um bestimmte Produktionsschritte zu verkürzen und effizientere Ergebnisse zu erzielen. Zu diesen möglichen Anwendungen gehören das Entschichten und Vorwärmen von Schrott, um Feuchtigkeit zu entfernen und den Energieaufwand für das Schmelzen zu reduzieren, wobei eine spezielle Brennertechnologie eingesetzt wird, die Abwärme wiederverwendet.
3. Erzeugung von Elektrizität: Je nach Art der Wärme können verschiedene Methoden eingesetzt werden, um Abwärme in Elektrizität umzuwandeln und so die Betriebskosten zu senken.

Kostensenkung ist ein verlockendes Argument für Unternehmen, in Abwärmerückgewinnungstechnologien zu investieren, aber nicht das einzige, wie Herr Brough erklärt: "Es gibt zwei weitere wichtige Gründe. Der wichtigste ist der nachhaltige und gewissenhafte Umgang mit natürlichen Ressourcen, um zukünftige Auswirkungen auf den Planeten und künftige Generationen zu vermeiden. Der andere ist ein verbessertes Image der unternehmerischen und sozialen Verantwortung von Unternehmen."

Beide Experten erwarten, dass Wärmerohr-Wärmetauscher die Abwärmerückgewinnung in energieintensiven Industrien wie Aluminium, Stahl und Keramik effizienter und erschwinglicher machen werden. Vor allem aber, so Prof. Jouhara, um eine Lösung zu bieten, wo andere Technologien versagt haben: "Wir konkurrieren nicht mit konventionellen Systemen, wenn die Ströme Standard sind und konventionelle Konstruktionen mit ihnen umgehen können. Wärmerohre können in Bereichen von Vorteil sein, in denen keine Lösung verfügbar ist oder die Situation so herausfordernd ist, dass es kein konventionelles System gibt, das mit der Abwärmerückgewinnungsanwendung umgehen kann."

Autorin: Stefania Gozzer